声悬浮系统中非球形气泡振荡诱导的微流现象

摘要

提出了一种快速且可靠的控制单个被捕获声学气泡形状振荡的技术，该技术基于两个气泡之间的聚并方法。这种稳态、对称性可控的气泡形状振荡可用于分析气泡界面附近产生的流体流动。

摘要

当位于生物屏障附近时，振荡的微泡可增加细胞膜的通透性，从而促进药物和基因的内化。实验观察表明，这些屏障的暂时性通透可能源于空化微射流在细胞组织上产生的剪切应力。空化微射流是指在超声微泡周围产生的涡旋流动。要产生此类液体流动，微泡的振荡必须偏离纯粹的球形振荡，而包含平移不稳定性或形态模态。由于难以以稳定且可控的方式捕捉微泡的形变过程，针对微泡诱导流动及其在邻近表面产生剪切应力的实验研究通常受到限制。本文描述了一种用于研究对称性可控的非球形振荡的声悬浮腔的设计。这种控制是通过在足够强的超声场中使两个接近的微泡发生融合来实现的。对非球形振荡的控制为自由表面振荡微泡产生可控的空化微射流开辟了途径。高帧率相机能够近乎同时地在声学时间尺度上研究非球形微泡的动力学行为，以及在较慢时间尺度上研究液体流动。结果表明，可以产生多种多样的流体模式，并且这些模式与微泡界面的模态成分相关。我们证明，即使高阶形态模态，只要界面动力学中包含多个模态，也能产生远距离的流体模式，这凸显了非球形振荡在靶向和局部药物递送中的潜在应用价值。

引言

在医学领域，药物进入生物体后必须克服多种障碍，才能到达预期的靶点。然而，大多数药物会迅速从血液中被清除，导致靶向效率低下，且难以穿过细胞膜，从而造成药物递送效果不佳。目前，已有研究提出将微泡与超声技术结合，作为一种创新的非侵入性、精确且靶向性强的药物和基因递送方法，用于将药物和基因递送至病变组织和细胞¹。在此方法中，微泡可作为药物载体，游离药物可与气体微泡悬浮液共注射，或负载于微泡表面。微泡还可作为局部载体，用于重新聚焦超声能量，从而与细胞发生相互作用。基本原理是，在超声作用下，微泡稳定地压缩和膨胀，这一过程称为稳定空化，可产生液体流动，从而对邻近物体施加剪切应力。微泡也可能发生非线性振荡并持续膨胀直至破裂，进入惯性空化状态，产生从破裂点径向传播的冲击波²。研究表明，无论是稳定空化还是惯性空化，均可增强细胞膜的通透性，从而促进药物进入细胞内部³。

在治疗应用中，理解气泡与细胞相互作用的机制非常重要，但在科学和技术层面均存在若干障碍，阻碍了相关知识的进展。首先，捕捉细胞对气泡诱导的机械刺激所产生的动态响应极为困难⁴。在声学时间尺度上，微泡的一阶振荡可激活细胞膜通道，促进分子穿过生物界面。这一过程通过细胞膜的直接振荡实现，也称为“细胞按摩”⁵。....

方案

1. 声悬浮腔的设计

1. 使用多物理场仿真软件的几何模块设计一个光学透明（类似PMMA）的立方水箱（边长8 cm，每个面厚度2.8 mm）（材料表）。
2. 在水箱底部中心插入一个圆柱面（Ø = 35 mm），用于模拟超声换能器。
3. 设置边界条件：水箱各壁面压力为零，在换能器表面施加振幅为1 µm的法向位移。
4. 使用频域模块，在频率范围[10 - 40] kHz内，对水箱在三个任意位置 loc1 = (0.01375, 0.01375, 0.04125)、loc2 = (0, 0, 0.0088) 和 loc3 = (0.021725, 0.023375, 0.00935) 处的频率响应函数（FRF）进行仿真。
5. 调整水箱尺寸，使腔体的一个声学模式对应于换能器的标称频率（此处为31.2 kHz）。因此，频率响应函数中将出现一个接近该频率的共振峰，如图3所示。
6. 绘制水箱内部的压力场分布，如图4所示。所选的共振模式必须在容器内部至少包含一个压力波腹，以便捕获声学气泡。
7. 设计水箱时，设计一个可在每条边缘带有导向槽的可移动顶面，以紧密闭合水箱各面。在顶面钻一个微小孔洞，用于注入液体介质。
8. 将水箱放置在一个自制支架上，支架内包含超声换能器（兰杰....

结果

气泡聚并全过程导致的时间稳定、对称性可控的非球形振荡序列如图9所示。两个球形振荡气泡的接近阶段在两者之间的液膜破裂时结束。值得注意的是，在聚并前的最后阶段，气泡界面已偏离球形。两个气泡均沿直线接近路径方向拉伸，呈椭球形。聚并发生后，形成单个气泡，并在数个声学周期内表现出具有复杂形状的非球形振荡。这对应于任何动力系统受激发后所经历的瞬态振荡阶段。经过十几个至一百个声学周期后，形状振荡进入稳态，呈现稳定的振荡模式，此处所示为模式4，可通过图10的解读得出。该振荡模式可持续数千个声学周期，持续时间为数毫秒至数分钟。这使得对气泡诱导液体流动的准同时测量成为可能。

当气泡被捕获并表现出稳定的形状振荡时，可捕捉到其附近荧光示踪粒子的运动，如图11所示。首先，对于仅表现出球形振荡的气泡，其.......

讨论

本方案通过气泡聚并来激发稳态、对称性可控的气泡形状振荡，从而研究这些振荡所诱导的长期流体流动。该技术的主要挑战在于，如何控制被俘获气泡（远离任何边界）的非球形振荡。

文献中提出的大多数现有技术集中于基底附着气泡^7,16，因为气泡中心无运动，使其在声学时间尺度（高达数百kHz）下更容易捕捉其界面。尽管在此情况下超过触发形变模式所需的压力阈值相对容易，但由于基底引起的对称性破坏，形变振荡的控制变得复杂。壁面附着气泡以特定的接触角与基底接触，导致非对称表面模式被激发²¹。除了仅通过单个相机视角解释三维非对称模式的复杂性外，系统还会突然过渡到混沌的表面振荡状态³³。因此，主要挑战在于捕捉远离任何边界的单个被捕获气泡的形变振荡，以实现轴对称的非球形振荡。此类条件使得实验结果能够与文献中大量可用的理论研究进行比较。主要的实验难点在于微气泡的位置稳定性。为克服这一问题，已有研究采用光镊.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
非球面透镜	Thorlabs	AL4050	焦距 40 mm 的透镜
连续波激光源	CNI	MLL6FN	波长 532 nm、能量 400 mW 的 DPSS 激光器
柱面平凹透镜	Thorlabs	LJ1277L1-A	焦距 -25.4 mm 的透镜
柱面平凹透镜	Thorlabs	LK1900L1	焦距 250 mm 的透镜
荧光微粒	Duke Scientific	R700	红色聚合物荧光微球
函数发生器	Agilent	HP33120	为超声换能器提供信号的函数发生器
高速相机	Vision Research	Phantom v12.0	最高录制速度达 1 Mfps 的高速记录设备
液体介质	Carlo Erba	Water for analysis	去矿物质化、未脱气的水
多物理场仿真软件	Comsol	None	用于模拟声悬浮腔声场的软件
Nd:Yag 脉冲激光器	New Wave Research	Solo III-15	脉冲持续时间 5 ns，λ=532 nm，光束直径 3.5 mm，能量最高达 50 mJ
平凹透镜	Thorlabs	N-BK7	焦距 125 mm 的透镜
球面凹透镜	Thorlabs	N-SF11	双凹透镜，焦距 -25 mm
超声换能器	SinapTec	Custom-made	标称频率 31 kHz，有效面积直径 35 mm
可视化软件	NIH	ImageJ	基于 Java 的图像处理与分析软件
XY 轴线性位移台	Newport	M-406	带微米级螺杆的位移平台
Z 轴线性位移台	Edmund Optics	62-299	带微米级螺杆的垂直位移平台